并聯(lián)與串聯(lián)連接溫差發(fā)電效率研究

胡建昌　張勇　田忠

摘要： 溫差發(fā)電是一種廢棄能量回收利用的巧妙方法；放置于汽油機尾氣排放管附近溫差發(fā)電片熱端溫度為77℃。使用此熱源進行溫差發(fā)電，4塊發(fā)電片并聯(lián)連接發(fā)電效率為3.2W高于串聯(lián)連接的1.9W；增加發(fā)電片至8片，并聯(lián)與串聯(lián)發(fā)電效率均增加，但是由于內(nèi)阻增加發(fā)電效率增加不足2倍。

Abstract： Temperaturegeneration is a kind of recovery way of waste energy， gasoline engine exhaust pipe temperature is 77℃. The generation efficiency is 3.2W of the 4 piece power parallel connection of the temperaturegeneration by this heat source， it is higher than 1.9W of series connection. When the power generation is increased to 8 pieces， parallel and serial power generation efficiency will also increase， but because of the increasing of internal resistance， the generation efficiency is less than 2 times.

關(guān)鍵詞：并聯(lián)；串聯(lián)；溫差發(fā)電；發(fā)電效率

Key words： parallel；series；temperaturegeneration；power generation efficiency

中圖分類號：TQ163 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0133-02

0 引言

溫差發(fā)電由于具有廢棄能量利用，減少能源利用帶來二次污染，等優(yōu)秀性質(zhì)，在汽車、鍋爐等實際工業(yè)應(yīng)用中有著較大的發(fā)展前景。因而受到諸多能源研究學(xué)者的青睞。許艷艷[1]等通過模擬的方法研究了發(fā)電片矩形柵格增加吸收幅度，冷熱端平均溫差比無格柵時提高了49.33%，從而提高其能量吸收與發(fā)電效率；程富強[2]等研究了碲化鉍半導(dǎo)體材料的溫差發(fā)電特性，結(jié)果表明輸出功率隨熱電元件截面積的增大而減小，面積比功率和能量轉(zhuǎn)化效率則緩慢下降；導(dǎo)熱基底越厚，輸出功率和能量轉(zhuǎn)化效率均越減小；賈磊[3]等對半導(dǎo)體熱電材料在低溫下的塞貝克系數(shù)進行了實驗研究，結(jié)果表明N型半導(dǎo)體塞貝克系數(shù)隨溫度上升而減小，P型半導(dǎo)體塞貝克系數(shù)隨溫度上升而增加；Douglas[4]等針對動態(tài)變化熱源設(shè)計出多模塊交互回路溫差發(fā)電器，將輸出功率大幅度提高，terasaki[5]等首次發(fā)現(xiàn) NaCo2O4單晶在室溫下具有較高的塞貝克系數(shù)，這使得溫差發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用變成了可能的現(xiàn)實。就目前情形來看，溫差發(fā)電能量實際產(chǎn)出率較低，因此未被大規(guī)模使用，因此國內(nèi)部分學(xué)者對溫差發(fā)電的投入產(chǎn)出比進行了研究[6]，結(jié)果表明能量產(chǎn)出對設(shè)備資本回收周期較長。

本課題研究建立在利用汽車尾氣所包含余熱發(fā)電，并利用所產(chǎn)生電量為汽車尾氣監(jiān)測與減污供能，并通過實驗驗證能夠提供足夠的能量，此方法不需要在汽車上更改供能線路，對已經(jīng)投入使用的汽車有更加實際的經(jīng)濟意義。在此基礎(chǔ)上本文利用汽油機代替汽車發(fā)動機，電風(fēng)扇代替汽車行駛中的自然風(fēng)冷，對溫差發(fā)電的功率進行了研究。

1 實驗方法

實驗采用汽油機替代汽車，并對尾氣排放部分利益金屬進行填充和銑磨平整，利于放置溫差發(fā)電片，溫差發(fā)電片厚度3mm。實驗中尾氣經(jīng)內(nèi)部冷卻后在尾氣排放管附近溫度為85℃，室溫為11℃；溫差發(fā)電片放置分并排放置與2層疊加放置2種放置方法，發(fā)電片的連接有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方法；功率測量時間間隔為1min。經(jīng)上述裝置所產(chǎn)生電量利于萬用表測出其電動勢與電流，得到發(fā)電功率，并比較不同放置情況下功率隨時間變化規(guī)律。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 發(fā)電片熱端溫度變化規(guī)律

發(fā)電片熱端溫度為排氣口尾氣溫度不經(jīng)過任何處理，汽油機本身尾氣排放口溫度在85℃左右。如圖1可見，自汽油機發(fā)動起發(fā)電片熱端溫度隨時間推移而逐步升高；初始階段呈近似指數(shù)曲線升高至70℃，而在70℃之后升高速率明顯下降，在上升至77℃時，溫度不再上升，其主要原因是發(fā)電片冷端風(fēng)冷也會再一定程度上影響到熱端溫度，因此熱端溫度不能達(dá)到85℃。

2.2 4塊溫差發(fā)電片組合發(fā)電效率

圖2為4塊溫差發(fā)電片并聯(lián)連接與串聯(lián)連接后的發(fā)電功率隨汽油機使用時間的變化規(guī)律。從圖2中可以看出并聯(lián)連接發(fā)電功率從0開始緩慢上升，此時發(fā)電片冷熱端溫度均在常溫；隨時間推移，熱端溫度升高，溫差拉大升，發(fā)電功率迅速提升，但是持續(xù)時間僅在26min至32min之間，在32min時功率達(dá)到最大值為4.8W。其主要原因為初始階段冷熱端溫差幾乎不存在，兩者溫度均為常溫，隨時間推移熱端溫度率先升高，在此過程中冷端溫度滯后于熱端溫度升高，此時發(fā)電功率呈現(xiàn)上升趨勢；到32min之后熱端溫度穩(wěn)定，冷端溫度繼續(xù)升高，冷熱端溫差降低，因此發(fā)電功率呈現(xiàn)出降低趨勢；當(dāng)冷端溫度升高到一定值時不再升高，發(fā)電功率穩(wěn)定在3.2W。從圖2中還可看出串聯(lián)連接4塊發(fā)電片后發(fā)電功率變化規(guī)律與并聯(lián)相似，但其峰值明顯低于并聯(lián)，從電路連接上看，串聯(lián)時能夠提供更高的輸出電壓，但是其內(nèi)阻疊加導(dǎo)致發(fā)電片內(nèi)部消耗了一部分功率，輸出降低，而發(fā)電片并聯(lián)連接內(nèi)部電阻減小，是以內(nèi)阻消耗功率降低。

2.3 8塊溫差發(fā)電片組合發(fā)電效率

圖3為8塊溫差發(fā)電片組合發(fā)電效率，從圖3中可以看出疊加串聯(lián)與并聯(lián)及并排串聯(lián)與并聯(lián)方式放置與連接，其單個曲線變化規(guī)律與4塊連接相似，均為先緩慢上升，后急劇升高，到達(dá)最大值后由于溫差減小發(fā)電功率降低。分別比較2層疊加排布與并排排布印證了3.2中串聯(lián)連接穩(wěn)定功率低于并聯(lián)連接穩(wěn)定功率。比較疊加放置與并排放置可以發(fā)現(xiàn)并排放置發(fā)電片時最高發(fā)電功率可達(dá)7.8W，穩(wěn)定時發(fā)電功率為并聯(lián)7.2W、串聯(lián)5.6W；疊加放置最高發(fā)電功率在3.8W左右，穩(wěn)定時并聯(lián)連接發(fā)電功率為2.8W、串聯(lián)2.2W，疊加放置發(fā)電效率低于并排放置，其主要原因在于疊加放置以第一層冷端為第二層熱端，而發(fā)電片本身厚度較小，因此放置一層與兩層最里側(cè)與最外側(cè)溫差相差不大，因此降低了第二層的發(fā)電效率。同時比較圖2與圖3，利用8塊發(fā)電片效率相較于4塊，其峰值與穩(wěn)定功率均有大幅度上漲，但是漲幅不足2倍，說明發(fā)電片增加的同時發(fā)電功率上漲，但是從成本角度來說發(fā)電成本亦增加。

3 結(jié)論

①汽車尾氣出口發(fā)電片熱端溫度先升高，升高至77℃后不再上升趨于穩(wěn)定狀態(tài)。②串聯(lián)連接發(fā)電片發(fā)電效率低于并聯(lián)連接。③單純靠增加發(fā)電片來增加發(fā)電功率會影響其能量產(chǎn)出成本。④并排連接時發(fā)電效率高于疊加連接。因此在一定資金范圍內(nèi)需要增加發(fā)電效率，可將發(fā)電片串聯(lián)連接改為并聯(lián)連接。

參考文獻(xiàn)：

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